现代机械制造技术论文综述

现代机械制造技术论文

摘要

随着科学技术的发展，现代机械制造技术已不单单指加工过程的工艺方法，而是横跨多个学科、包含了从产品设计、加工制造、到产品销售、用户服务等整个产品生命周期全过程的所有相关技术，涉及到设计、工艺、加工自动化、管理以及特种加工等多个领域，并逐步融合与集成。本论文简单介绍了现代机械制造技术中的特种加工技术、精密加工和超精密加工技术、计算机辅助设计与制造技术等。

关键词：特种加工技术；精密加工和超精密加工技术；计算机辅助设计与制造技术；

目录

现代机械制造技术论文 (1)

摘要 (1)

1 现代制造技术介绍 (3)

1.1 现代制造技术的体系结构 (3)

1.2现代制造技术的分类 (3)

2 特种加工 (4)

2.1 特种加工概述 (4)

2.2 电火花加工（EDM） (4)

2.3电解加工 (5)

2.4 超声波加工 (6)

2.5 激光加工 (6)

3 精密加工和超精密加工 (7)

3.1 精密、超精密加工的概念 (7)

3.2 精密加工和超精密加工的工艺特点 (7)

4 计算机辅助设计与制造技术 (8)

4.1 CAD/CAM基本概念 (8)

4.2 CAD/CAM系统的工作过程 (8)

1 现代制造技术介绍

1.1 现代制造技术的体系结构

现代制造技术所涉及的学科较多，所包含的技术内容较为广泛，1994年美国联邦科学、工程和技术协调委员会将现代制造技术分为三个技术群：主技术群、支撑技术群和制造技术环境。这三个技术群体相互联系、相互促进，组成一个完整的体系，每个部分均不可缺少，否则就很难发挥预期的整体功能效益。

1.2现代制造技术的分类

根据现代制造技术的功能和研究对象，可将现代制造技术归纳为以下几个方面。

1、现代设计技术

现代设计技术是根据产品功能要求，应用现代技术和科学知识，制定方案并使方案付诸实施的技术。现代设计技术包括：计算机辅助设计、性能优良设计基础技术、竞争优势创建技术、全寿命周期设计、可持续发展产品设计、设计试验技术等。

2、现代制造工艺技术

现代制造工艺技术包括精密和超精密加工、精密成形与特种加工技术等几个方面。

3、制造自动化技术

制造自动化是指用机电设备工具取代或放大人的体力，甚至取代和延伸人的部分智力，自动完成特定的作业，包括物料的存储、运输、加工、装配和检验等各个生产环节的自动化。制造自动化技术设计数控技术、工业机器人技术和柔性制造技术，是机械制造业最重要的基础技术之一。

4、先进生产制造模式和制造系统

先进生产制造模式和制造系统是面向企业生产全过程，是将现代信息技术与生产技术相结合的一种新思想、新哲理，其功能覆盖企业的市场预测、产品设计、加工制造、信息与资源管理直到产品销售和售后服务等各项活动，是制造业的综合自动化的新模式。

2 特种加工

2.1 特种加工概述

特种加工是相对于一切传统的加工方法而言的。随着工业生产的发展和科学技术的进步，具有高熔点、高硬度、高强度、高韧性的新型材料不断涌现，而且结构复杂和工艺要求特殊的机械零件也越来越多。这样，仅仅采用传统的机械加工方法来加工这些零件，就会感到十分困难，甚至无法加工。因此，人们除进一步完善和发展传统的机械加工方法外，还借助于现代科学技术的发展，开发了一种有别于传统机械加工的新型加工方法——特种加工，也称为电加工或非传统加工。它与机械加工有本质不同，它不要求工具材料比工件材料更硬，也不需要在加工过程汇总施加明显的机械力，而是直接利用电能、化学能、光能、声能对工件进行加工，以达到一定的形状尺寸和表面粗糙度要求。特种加工的种类很多，主要包括电火花加工、电解加工、点解磨削加工、超声波加工、激光加工、离子束加工、电子束加工等。

2.2 电火花加工（EDM）

电火花加工的原理是基于工具电极与工件电极（正极与负极）质检脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来对工件进行加工，以达到一定形状、尺寸和表面粗糙度要求。要将电腐蚀现象用于金属材料的尺寸加工，必须具备如下条件：（1）放电点必须有足够的火花放电强度，即局部集中的电流密度须高达102～106A/cm2，以使局部金属熔化和气化。

（2）放电是短时间的脉冲放电，放电的持续时间为10-7～10-8S，由于放电持续时间短促，放电时所产生的热量将来不及传散到电极材料内部，以保证良好的加工精度和表面质量。

（3）先后两次脉冲放电之间，要有足够的停歇时间使极间介电液充分电离，恢复其介电性能，以保证每次放电不在同一重复进行，避免发生局部烧伤现象。

（4）工具与工件质检始终维持一定的间隙。

（5）极间充有一定的液体介质，并使脉冲放电产生的电蚀产物及时扩散、排出，使重复性脉冲放电顺利进行。

电火花加工时利用脉冲放电时的电腐蚀现象来进行尺寸加工的，它与机械加工相比，有如下特点：

（1）由于脉冲放电的能量密度很高，故可加工任何硬、脆、韧及高熔点的导

电材料，在一定条件下还加工半导电和非导电材料，从而扩大了工程材料的选择范围。

（2）加工时，工具电极与工具不接触，二者质检不存在明显的宏观作用力，而且工具材料也不必比工件硬。这不仅有助于工具电极的制造，而且也有利于包括小孔、窄槽在内的各种复杂精密零件的加工，并能在淬火后进行。

（3）脉冲放电的持续时间短，放电时所产生的热量传播范围小，工件表面的热影响区也很小。

（4）脉冲参数可在一个加大范围内调节，故可以在同一台机床上连续进行粗、中、精及精微加工。精加工时的精度能控制其误差小于±0.01mm，表面粗糙度Ra0.63～1.25μm，精微加工时精度可达0.002～0.004mm，表面粗糙度为Ra0.04～0.16μm。

（5）直接利用电能进行加工，便于实现自动化。

2.3电解加工

电解加工是利用金属在电解液中可以产生阳极溶解的电化学原理来进行尺寸加工的。这种电化学现象在机械工业中早已被用来实现电抛光和电镀，电解加工是在电抛光基础上发展起来的。

电解液时电解加工的关键因素。电解液的种类、浓度、温度、压力及流速等直接影响电解过程，从而影响生产率和加工质量。其主要作用是：（1）作为导电介质传递电流；

（2）在电场作用下进行电化学反应，使阳极溶解能顺利而有控制地进行；

（3）及时带走电解产物及热量，起更新冷却作用。

电解加工的特点如下：

（1）加工范围广。电解加工能加工各种高强度、高硬度、高韧性的导电材料，如硬质合金、淬火钢、不锈钢、耐热合金等难加工材料。

（2）生产效率高。电解加工是特种加工中材料去除速度最快的方法之一，约为电火花加工的5～10倍。

（3）加工过程中无机械切削力和切削热，没有因为力与热给工件带来的变形，可以加工刚性差的薄壁零件，加工表面无残余应力和毛刺，能获得较小的表面粗糙度和一定的加工精度。

（4）加工过程中工具电机理论上无损耗，可长期使用并保持其精度。

（5）电解加工不需要复杂的成形运动就可以加工复杂的空间曲面，而且不会

向传统机械加工那样留下条纹痕迹。

（6）对复杂加工表面的工具电极的设计和制造比较费事，不利于单件小批量生产。

（7）电解加工的加工缺陷主要有空蚀、产生亮点、加工精度低等。

电解加工主要用于切削加工困难的领域，如难加工材料、形状复杂的表面、刚性较差的薄板等。常用的有电解穿孔、电解成形、电解去毛刺、电解切割、电解刻印等。

2.4 超声波加工

超声波加工是利用工具端面做超声频振动，并通过悬浮液中的磨料加工脆硬材料的一种加工方法。超声波加工具体如下特点：

（1）适用于加工各种脆硬材料，特别是不导电的非金属材料（如陶瓷、玻璃、宝石、金刚石等），扩大了磨具材料的选用范围。

（2）工具可用较软的材料做成较为复杂的形状，不需要工具相对于工件作复杂的运动，机床结构简单，操作也方便。

（3）由于去除加工材料是靠极细小磨粒的瞬时局部的撞击作用，故工件表面的宏观作用力很小，不会引起变形和烧伤，表面粗糙度也较高，加工精度可达0.01～0.02mm，而且可以加工薄壁、窄缝、低刚度工件。

2.5 激光加工

激光加工是利用激光器发射出来的具有高方向性和高亮度的激光，通过光学系统把激光束聚焦成一个极小的光斑（直径仅有几微米或几十微米），使光斑处获得极高的能量密度（107～1011W/cm2）,达到上万摄氏度的高温，从而能在很短的时间内使各种物质熔化和汽化，从而达到蚀除工件材料的目的。

激光加工是一个高位过程，就其机理而言，一般认为，当能量密度极高的激光照射在被加工表面时，光能被加工表面吸收并转换成热能，使照射斑点的局部区域迅速熔化甚至汽化蒸发，并形成小凹坑，同时也开始了热扩散，结果使斑点周围金属熔化，随着激光能量的继续吸收，凹坑中金属蒸汽迅速膨胀，压力突然增加，熔融物被爆炸性地高速喷射出来。其喷射所产生的反冲压力又在工件内部形成一个方向性很强的冲击波。这样，工件材料就在高温熔融和冲击作用下，蚀除了部分物质，从而打出一个具有一定锥度的小孔。

3 精密加工和超精密加工

3.1 精密、超精密加工的概念

随着现代工业的不断发展，精密加工和超精密加工在机械、电子、轻工及国防等领域占有越来越重要的地位。从一般意义上将，精密加工是指在一定的发展时期，加工精度和表面质量达到很高程度的加工工艺。超精密加工是指加工精度和表面质量达到极高程度的精密加工工艺。

3.2 精密加工和超精密加工的工艺特点

精密加工、超精密加工和一般加工比较由其独特的特性。

（1）精密加工和超精密加工都是以精密元件为加工对象，与精密元件密切结合而发展起来的。平板、直角尺、齿轮、丝杠、蜗轮副、分度板等都是典型的精密元件，现代工业的发展，大规模继承电路芯片、金刚石磨具、合成蓝宝石轴承、非球面透镜及精密伺服阀零件等正成为新的典型精密元件。

（2）精密加工和超精密加工不仅要保证很高的精度和表面质量，同时要求有很高的稳定性或保持性，不受外界条件变化的干扰。

（3）精磨测量时精密加工的必要条件，没有相应的精密测量手段，就不能科学地衡量精密加工所达到的精度和表面质量。在精密加工和超精密加工中，有时精密测量成为关键。例如在高精度的空气静压轴承中，要测量它在高速转动下的径向跳动和轴向窜动是十分困难的。

（4）现代精密加工常常与微细加工结合在一起，要有与精度相适应的微量切削，因此出现了一些列精密加工和细微加工的方法，如金刚石精密车削、精密抛光、弹性发射加工、机械化学加工以及电子束、离子束等加工方法。

（5）现代精密加工和超精密加工常常和自动控制联系在一起，广泛采用微型计算机控制、自适应控制系统，以避免手工操作引起的随机误差，提高加工质量。

（6）现代精密加工和超精密加工常常采用复合加工技术，已达到更理想的效果。

精密加工和超精密加工目前主要有精密切削加工、精密磨削加工、超精研、精密研磨、超精密磨料加工、电解磨削加工和纳米加工等。

4 计算机辅助设计与制造技术

4.1 CAD/CAM基本概念

计算机辅助设计与制造（简称CAD/CAM）技术产生于20世纪50年代后期发达国家航空和军事工业中，随着计算机硬件、软件技术和其他科学技术的进步与发展，CAD/CAM技术日趋完善，它的应用范围也不断扩大。如今的CAD/CAM已广泛应用于数值计算、工程绘图、工程信息管理、生产控制等设计成产的全过程中，它的应用行业已遍及电子、机械、造船、航空、汽车、建筑、纺织、轻工业及工程建设等。

CAD/CAM技术是一项利用计算机协助人完成产品的设计与制造的现代技术。CAD/CAM技术是传统设计与制造技术与现代计算机技术的有机结合，它将传统设计与制造彼此相对分离的任务作为一个整体来规划和开发，实现信息处理的高度一体化。

4.2 CAD/CAM系统的工作过程

CAD/CAM系统是设计、制造过程中的信息处理系统，它需要对产品设计、制造全过程的信息进行处理，包括设计、制造中的数值计算、设计分析、三维造型、工程绘图、工程数据库的管理、工艺分析、NC自动编程、加工仿真等各个方面。CAD/CAM系统充分利用了计算机高效准确的计算功能、图形处理功能以及复杂工程数据的存储、传递、加工功能，在运行过程中，结合人的经验、知识及创造性，形成一个人机交互、各尽所长、紧密配合的系统。CAD/CAM系统输入的是设计要求，输出的是制造加工信息。一个完整的CAD/CAM系统主要包括以下几个方面：（1）通过需求调查以及用户对产品性能的要求，向CAD系统输入设计要求。在CAD系统中首先进行设计方案的分析和选择，根据设计要求建立产品模型，包括几何模型和诸如材料处理、制造精度等非几何模型，并将所建模型储存于系统中的数据库中。

（2）利用CAD/CAM系统应用程序中已编制的各种应用程序，对产品模型进行设计计算和优化分析，确定设计方案及产品零部件的主要参数，同时，利用系统中的图形库，将设计的初步结果以图形的方式输出在显示器上。

（3）通过计算机辅助工程分析计算功能对产品进行性能预测、结构分析、工程计算、运动仿真和装配仿真。

（4）根据计算机显示的结果，设计人员对设计的初步结果做出判断，如果不满意，可以以人机交互作业方式进行实时修改，直至满意为止。将修改后的产品

设计模型仍存储在CAD/CAM系统的数据库中，并可通过绘图机输出设计图纸和有关文档。

（5）CAD/CAM系统从产品数据库中提取产品的设计制造信息，在分析其零件几何形状特点及有关技术要求后，对产品进行工艺规程设计，将工艺设计结果存入系统的数据库中，同时在屏幕上显示输出。

（6）工艺设计人员可以对工艺规程设计的结果进行分析、判断，并以人机交互方式进行修改，最后以工艺卡片或数据接口文件的形式存入数据库，以供后续模块读取。

（7）在打印机上输出工艺卡，成为车间生产加工的工艺指导性文件。NC自动编程子系统从数据库中读取零件几何信息和加工工艺规程，生成NC加工程序。

（8）进行加工仿真、模拟，验证所生成NC加工程序是否合理、可行。同时，还可以进行刀具、夹具、工件之间的干涉、碰撞检验。

（9）在普通机床、数控机床上按照工艺规程和NC加工程序加工制造出有关产品。

由上述过程可以看出，从初始的设计要求、产品设计中的中间结果，到最终的加工指令，都是产品数据信息不断产生、修改、交换、存取的过程，在该过程中，设计人员仍起着非常重要的作用。一个优良的CAD/CAM系统应能保证不同部门的技术人员能相互交流和共享产品设计和制造信息，并能随时观察、修改设计，实施编辑处理，直到获得最佳结果。